U型管布置方式影響

目前，對于水平及垂直直管中發(fā)生氣液兩相流脈動的機理、計算方法及防范措施已經(jīng)進行了大量試驗和理論研究工作。但是，對于受熱的U型管在工質(zhì)沸騰狀況下的汽液兩相流脈動問題研究較少，隨著各種結(jié)構(gòu)的U型管在工業(yè)設(shè)備中得到日益廣泛的應(yīng)用，研究不同布置方式U型管中氣液兩相流的脈動特性具有十分重要的實際工程意義。

試驗系統(tǒng)

見圖《試驗系統(tǒng)簡圖》，這是一個封閉式試驗回路，利用氟利昂- 113（R- 113）作為工質(zhì)。試驗段中電加熱段長2053mm，U型管高度（定義為垂直布置時，U型段入口至U型段頂端的垂直高度）為1850 mm，試驗管段選用內(nèi)徑16 mm，壁厚2 mm的不銹鋼管，整個試驗回路也是用不銹鋼制成。加熱系統(tǒng)由一個30 kW的感應(yīng)調(diào)壓器和一個大電流變壓器構(gòu)成，直接以管壁作為加熱器以保證熱負荷的均勻性。

研究的五種不同布置方式為：倒U型、傾斜45°、水平面布置、傾斜-45°、正U型。試驗選用相同的壓力范圍、加熱功率以及質(zhì)量流量，試驗范圍如下：系統(tǒng)壓力（選用試驗段出口壓力）P為0.2、0.3及0.4 MPa；加熱功率Q為10.4，9.6，8.8，8.0，7.2，6.4 kW；質(zhì)量流量W為1.0～30.0 kg/min。

試驗結(jié)果及分析

在試驗中，可以觀測到：種典型的脈動工況，即壓力降型脈動，密度波型脈動以及近蒸干點處密度波型脈動。在保持系統(tǒng)壓力和加熱量不變的條件下，當(dāng)流量減小到一定值后，開始出現(xiàn)壓力降型脈動，這種脈動出現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)特性曲線的負斜率區(qū)段，其周期受試驗系統(tǒng)的氣相容積及壓縮性的影響，對于本實驗回路，可以通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓罐中氮氣的容積來改變其氣相容積和壓縮性。由于壓力降型脈動比較常見，因此本文比較脈動界限主要討論壓力降型脈動，繼續(xù)減小流量，可以觀測到第二種脈動工況，即密度波型脈動，這種脈動周期較短，振幅較小。在較小的流量時，出現(xiàn)近蒸干點密度波型脈動，在這種工況下出現(xiàn)傳熱惡化，此時壓力及流量脈動振幅最大，并可能出現(xiàn)流體的倒流，流體溫度脈動也十分劇烈，壁溫開始飛升。

分析測得的不同布置方式U型管的脈動界限，可以看出正U型管穩(wěn)定性最好，倒U型管最差，但其差別不大。在試驗中也發(fā)現(xiàn)倒U型管最容易出現(xiàn)壁溫飛升，這些結(jié)果與對穩(wěn)態(tài)特性曲線的分析是一致的。

試驗結(jié)果表明，增大進口阻力，減小出口阻力，增大系統(tǒng)壓力和減小熱負荷均有利于提高試驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這一結(jié)果及試驗過程中多次得到了驗證。

結(jié)論

通過試驗研究并利用數(shù)值計算方法對五種布置方式的U型管的不穩(wěn)定性進行了研究，并且模擬計算了實際工程應(yīng)用的U型管布置方式。得出的結(jié)論如下：

（1）增大系統(tǒng)壓力、減小加熱量、增大進口阻力、減小出口阻力均有利于各種布置方式U型管的穩(wěn)定性；

（2）在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，對于本試驗系統(tǒng)，正U型管和傾斜-45°U型管較不容易發(fā)生壓力降型脈動，其穩(wěn)定性優(yōu)于其它幾種布置方式，倒U型管的穩(wěn)定性最差；

（3）U型管段中由于密度差引起的重位壓力降對系統(tǒng)特性曲線有較大影響，不同布置方式?jīng)Q定了重位壓力降對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性曲線多值性的影響程度，從而影響其穩(wěn)定性；

（4）對于模擬計算的實際丁程應(yīng)用的不同布置方式U型管，在計算的工況條件下，正U型管和傾斜45。U型管穩(wěn)定性較好，倒U型管穩(wěn)定性最差，基本上同低壓時得出的規(guī)律一致。

U型管組裝時，應(yīng)將與單動滑閥連接的．法蘭留成活口，點焊于管段上，以便U型管安裝時調(diào)整法蘭的水平度及找正管段。

U型管和單動滑閥連接的法蘭，安裝后其水平度偏差應(yīng)不大于1毫米/米，一般施焊前，在法蘭找正后于焊口四周用4~6塊立筋板對稱加固。施焊時采用分段對稱跳焊的方法，每段長以100~200毫米為宜。焊接的同時宜隨時檢查法蘭面的水平度并及時校正。

U型管的安裝，應(yīng)根據(jù)兩器安裝后的實際安裝位置配安，U型管分段安裝時應(yīng)控制各管段的軸線方向。

U型管安裝后，其水平段標(biāo)高偏差不大于±10毫米。

U型管防震系統(tǒng)的安裝應(yīng)符合下列要求：

（1）防震器安裝前應(yīng)進行檢查，并符合設(shè)計要求。

（2）防震器試驗，當(dāng)桿端作用力為42公斤，搖臂桿長230毫米，行程65°時，所用的時間應(yīng)符合下列要求

當(dāng)用變壓器油時，歷時2秒以上；

當(dāng)用50#機油時，歷時5秒以上；

當(dāng)用20#航空潤滑油時，歷時9秒以上。

（3）防震器安裝時，搖臂應(yīng)處于可搖動角度的中心位置，以保證U型管熱膨脹后連桿和搖臂垂直。

（4）安裝支桿，應(yīng)根據(jù)熱膨脹情況，使靠近U型管的一端略高，以使U型管膨脹后支桿呈水平狀態(tài)。

U型管壓力計是歷史最悠久的測量壓強儀器。它在用于真空測量中屬于絕對真空計，可作為真空計量標(biāo)準(zhǔn)。它的典型原理結(jié)構(gòu)如右圖所示。它是由兩根測量管構(gòu)成，通過測量管內(nèi)工作液柱的高度差h，即可計算出待測壓力P的值。液柱的一側(cè)需用抽真空等方法使其上的壓力P₀比起待測壓力P來?？梢院雎圆挥?，這種壓力計的精度和測量下限，主要取決于如何測準(zhǔn)液柱面的高度差h和測量h的精度，以及工作液體的密度。測量h的方法很多，如直接用刻度尺測量，用測高儀、點接觸測微計、光學(xué)干涉法等等，其中干涉法的精度最高。工作液體最早采用的是汞，而在真空測量中為向低壓量程擴展，也常用飽和蒸氣壓低且密度和粘度小的油類。這種壓力計可測量低、中真空。

U型管中盛有液體汞，根據(jù)液體靜力學(xué)的平衡原理，U型管A—A’截面上的流體靜力學(xué)平衡公式為：

P （H h）ρ₁=Hρ₃ hρ₂ P₀ （1）

式中： P——被測壓力；

ρ₁ρ₂ ——充液ρ₃上面的保護介質(zhì)或空氣的密度；

ρ ₃——充液為水銀或水、酒精等的密度；

P₀——大氣壓；

h——充液高位面到被測壓力P的連接口處高度。

由式（1）得： P=P₀ h（ρ₂一ρ₁） H（ρ₃一ρ₁）

相對壓力： P=P一P₀=h（ρ₂一ρ₁） H（ρ₃一p₁）

當(dāng)ρ₁=ρ₂時：P=H（ρ₃一ρ₁） （2）

式（2）表明，相對壓力P正比于液柱高度H，這是液柱式壓力計測量壓力基本原理。

在實際測量中，有時不能忽略液面上介質(zhì)或保護液所受重力的作用。遇到這種情況時，應(yīng)該在U型管兩邊同一截面上寫出流體靜力學(xué)平衡公式，然后求出被測壓力P，這一點在測量微壓力或微偏差時應(yīng)特別注意。

使用U型管壓力計時，由于毛細管和液體表面的張力的作用，會引起管內(nèi)的液面呈彎月狀，給讀數(shù)造成誤差，為了減小此類誤差，制作U型管時管徑不能選得太細。一般用水作工作液體時，管子內(nèi)徑不得小于8mm。用水銀作工作液體時，管內(nèi)徑不小于5mm。U型管壓力計標(biāo)尺每個分格是lmm，每次讀數(shù)的最大誤差為分格的一半。而U型管壓力計兩個管子需分別讀數(shù)，所以可能的讀數(shù)誤差為±lmm（相當(dāng)于9.8Pa）。為了減少誤差和只進行一次讀數(shù)，可以使用杯型壓力計。